推移质泥沙随机起动与输移机理研究

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推移质泥沙起动与输移规律对推动泥沙研究的理论发展、河道开发与治理、水利工程的安全以及河道河床演变趋势的预测具有重要意义。本文基于高速摄像技术,开展了泥沙起动及推移质运动特性试验,并结合理论分析,对泥沙起动、推移质运动及输沙率进行研究。主要工作及创新成果如下:(1)构建了同一起动标准下,不同起动参数量值的对应关系,建立了非均匀泥沙起动流速公式。在前人研究的基础上,从泥沙起动特点出发,重新定义了床面泥沙颗粒位置关系的量化参数,并通过水槽试验对各参数进行统计分析。试验结果表明,暴露角及拖曳力方向角服从正态分布,相对力臂服从指数分布。构建了同时考虑水流脉动及床面颗粒位置随机性的泥沙起动概率公式。通过水槽试验,建立了低强度输沙时的均匀推移质输沙率公式,在此基础上,构建了同一起动标准下,不同起动参数量值的对应关系。建立了非均匀泥沙起动流速公式。经其他文献水槽试验实测资料验证,本文非均匀泥沙起动流速公式具有较好的适用性。(2)揭示了泥沙跃移运动的力学机理及统计规律,并建立了非均匀推移质平均运动速度公式。通过颗粒所受到的水流作用力试验,建立了拖曳力系数公式及上举力系数公式。经本文沉降试验实测资料验证,本文拖曳力系数公式及上举力系数公式均具有较好的适用性。基于高速摄像技术,观测了跃移颗粒撞击床面过程,构建了跃移颗粒撞击模型,定义了撞击点位置参数,并对各位置参数进行了统计分析。试验结果表明,撞击偏移角及撞击面角服从正态分布。在已有研究的基础上,进一步揭示了泥沙跃移运动的力学机理及统计规律。通过推移质平均运动速度试验,构建了均匀推移质平均运动速度、非均匀推移质平均运动速度系数及非均匀推移质平均运动速度公式。经本文及其他文献水槽试验实测资料验证,本文非均匀推移质平均运动速度公式具有较好的适用性。(3)构建了均匀推移质输沙率、推移质级配及非均匀推移质输沙率公式。基于经典推移质水槽试验实测资料,建立了高强度输沙时的以冲刷数量计的泥沙起动概率及运动层厚度公式,在此基础上,构建了基于起动概率理论的均匀推移质输沙率公式。基于以冲刷数量计的泥沙起动概率及非均匀泥沙颗粒位置关系,推求了非均匀泥沙起动概率,在此基础上,构建了推移质级配公式及非均匀推移质输沙率公式。经其他文献水槽试验及天然河流实测资料验证,本文均匀推移质输沙率公式、推移质级配公式及非均匀推移质输沙率公式均具有较好的适用性。
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